40Cr frente a 42CrMo: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros 40Cr y 42CrMo son dos aceros de medio carbono ampliamente utilizados en aplicaciones de ingeniería donde se requiere un equilibrio entre resistencia, tenacidad y coste. Los ingenieros y los equipos de compras suelen elegir entre ellos para ejes, engranajes, piezas forjadas y componentes de maquinaria sometidos a grandes esfuerzos; la decisión de selección generalmente busca un equilibrio entre la resistencia y la tenacidad alcanzables (y la templabilidad en función del tamaño de la sección) frente al coste del material y los procesos posteriores (soldadura, tratamiento térmico, mecanizado).
La principal diferencia metalúrgica radica en que el acero 42CrMo contiene molibdeno como adición deliberada, mientras que el acero 40Cr es principalmente un acero al carbono medio con cromo, sin molibdeno intencional. Esta diferencia incrementa la templabilidad y la resistencia al revenido del 42CrMo, lo que influye en los límites de espesor de sección para el temple y el revenido, la tenacidad a niveles de resistencia equivalentes y los requisitos de soldadura y tratamiento térmico. Por consiguiente, estos dos grados se comparan frecuentemente cuando un diseño requiere un mejor endurecimiento integral o un mayor rendimiento a la fatiga y tenacidad sin recurrir a aceros aleados más costosos.
1. Normas y designaciones
- GB/T (China): 40Cr, 42CrMo (designaciones nacionales comunes).
- EN (Europa): 42CrMo4 es el equivalente EN común de 42CrMo (a menudo especificado como 1.7225); 40Cr tiene equivalentes aproximados en EN y a veces se trata como similar a los aceros al cromo de carbono medio en el sistema EN.
- AISI/SAE (EE. UU.): equivalentes aproximados — 40Cr ≈ SAE 5140; 42CrMo ≈ SAE 4140 (abreviatura comúnmente utilizada en la industria).
- JIS (Japón): El 42CrMo se compara comúnmente con el SCM440; el 40Cr se corresponde con aceros al cromo de carbono medio SCr/SCM similares.
Clasificación:
- 40Cr — acero al cromo de carbono medio (acero al carbono aleado).
- 42CrMo — acero al cromo-molibdeno de carbono medio (acero de baja aleación con mayor templabilidad).
(Nota: la equivalencia entre las normas nacionales es aproximada; siempre verifique los límites químicos y mecánicos de las especificaciones para la adquisición e inspección).
2. Composición química y estrategia de aleación
Composición típica (en % peso) de los grados comerciales más comunes. Los valores son rangos típicos representativos de las especificaciones industriales; consulte los certificados de fábrica para conocer la composición exacta.
| Elemento | 40Cr (rango típico) | 42CrMo (rango típico) |
|---|---|---|
| do | 0,37–0,44 | 0,38–0,45 |
| Minnesota | 0,50–0,80 | 0,60–0,90 |
| Si | 0,17–0,37 | 0,10–0,40 |
| PAG | ≤0,035 | ≤0,035 |
| S | ≤0,035 | ≤0,035 |
| Cr | 0,80–1,10 | 0,90–1,30 |
| Ni | - (rastro) | - (rastro) |
| Mes | - (rastro) | 0,15–0,30 |
| V, Nb, Ti, B, N | Normalmente no es intencional en las calidades estándar; solo se presenta como residuo o en variantes microaleadas. | Normalmente no es intencional en las calidades estándar; solo se presenta como residuo o en variantes microaleadas. |
Cómo afecta la aleación a las propiedades: - Carbono (C): elemento de refuerzo primario; un mayor contenido de C aumenta la dureza y la resistencia alcanzables, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad. - Cromo (Cr): mejora la templabilidad, la resistencia, la resistencia al desgaste y la resistencia al revenido. - Manganeso (Mn) y silicio (Si): desoxidantes y fortalecedores; el Mn también aumenta la templabilidad. - Molibdeno (Mo): aumenta significativamente la templabilidad y la resistencia al revenido, mejora la resistencia y la tenacidad a altas temperaturas y ayuda a reducir la sensibilidad al temple. La adición de Mo en el acero 42CrMo es la razón principal por la que alcanza una mayor templabilidad y tiende a conservar la tenacidad después del revenido en comparación con el acero 40Cr.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: - En estado laminado o normalizado, ambos aceros presentan microestructuras de ferrita + perlita; el tamaño de grano de la austenita previa y la velocidad de enfriamiento determinan el espaciado y la resistencia de la perlita. - Después del temple (tras la austenización) y el revenido, ambos aceros suelen formar martensita revenida; la temperatura y el tiempo de revenido determinan la dureza, la resistencia y la tenacidad finales.
Comportamiento ante el tratamiento térmico: - Normalización: refina el tamaño del grano y produce ferrita/perlita homogénea; beneficiosa antes del forjado o mecanizado. - Temple y revenido (T&R): ambos grados responden bien; el 42CrMo logra una mayor templabilidad, lo que significa que las secciones más gruesas pueden ser completamente martensíticas después del temple en comparación con el 40Cr con la misma severidad de enfriamiento. Procesamiento termomecánico: ambos materiales pueden forjarse en caliente y posteriormente normalizarse/templarse y revenirse para obtener las propiedades deseadas. La presencia de molibdeno en la aleación 42CrMo aumenta la resistencia al ablandamiento por revenido y mejora la tenacidad a altas temperaturas de revenido.
Consecuencia práctica: para secciones transversales grandes o componentes que requieren alta resistencia/tenacidad del núcleo, el 42CrMo proporciona un endurecimiento más uniforme y evita los núcleos blandos que pueden ocurrir con el 40Cr a menos que se utilice un temple o aleación especializados.
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico, el tamaño de la sección y el revenido. Los valores que se muestran a continuación son rangos típicos para condiciones de temple y revenido comúnmente utilizados en la práctica de la ingeniería; considérelos ejemplos representativos.
| Propiedad (Q&T típica) | 40Cr (rango representativo) | 42CrMo (rango representativo) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | 700–1000 | 900–1150 |
| Límite elástico (MPa) | 500–800 | 700–1000 |
| Alargamiento (%L0) | 10–18 | 10–15 |
| Resistencia al impacto (Charpy V, J) | 20–60 (depende del templado y la sección) | 30–80 (generalmente mayor tenacidad con dureza comparable) |
| Dureza (HRC o HB) | HRC ~20–50 (HB ~180–520 dependiendo de la condición) | HRC ~22–55 (HB ~200–560 dependiendo de la condición) |
Interpretación: - El 42CrMo generalmente alcanza mayor resistencia a la tracción y al límite elástico después del tratamiento térmico y recocido para los mismos parámetros de tratamiento térmico, y mantiene una mejor tenacidad con una dureza equivalente porque el Mo mejora la templabilidad y la resistencia al revenido. - El acero 40Cr puede templarse hasta alcanzar una dureza comparable en secciones delgadas, pero mostrará un endurecimiento transversal reducido y posiblemente una menor tenacidad del núcleo en secciones transversales grandes. - La ductilidad (elongación) es comparable en niveles de revenido similares; sin embargo, para una resistencia nominal dada, el 42CrMo a menudo permite una combinación más resistente.
5. Soldabilidad
La soldabilidad está determinada por el contenido de carbono, el carbono equivalente y la templabilidad. Utilice índices empíricos para evaluar las necesidades de tratamiento térmico previo y posterior a la soldadura.
Fórmulas comunes de soldabilidad (uso cualitativo): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación: Ambas calidades tienen un contenido medio de carbono y una aleación moderada, por lo que ninguna es altamente soldable sin controles. La presencia de Mo en el 42CrMo aumenta los índices $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ con respecto al 40Cr, lo que indica una mayor susceptibilidad a la formación de una zona afectada por el calor (ZAC) martensítica dura y quebradiza, y un mayor riesgo de fisuración en frío inducida por hidrógeno si no se aplican controles de soldadura. Recomendaciones prácticas para soldadura: precalentar para reducir la velocidad de enfriamiento, controlar el aporte térmico, usar consumibles de bajo hidrógeno y realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT, alivio de tensiones o revenido) en espesores mayores o cuando la retención de propiedades mecánicas sea fundamental. El acero 42CrMo suele requerir prácticas de precalentamiento/PWHT más cuidadosas que el acero 40Cr para espesores comparables debido a su mayor templabilidad.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el acero 40Cr ni el 42CrMo son inoxidables; ambos son susceptibles a la corrosión generalizada y localizada en ambientes agresivos. Se aplican estrategias de protección estándar: pintura, aceitado, chapado, galvanizado (cuando corresponda) o recubrimientos de conversión.
- Para entornos que requieren una alta resistencia a la corrosión o a la picadura, se deben considerar las familias de aceros inoxidables; el PREN (número equivalente de resistencia a la picadura) no es aplicable al 40Cr/42CrMo. Ejemplo de fórmula PREN para aleaciones de acero inoxidable: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Al especificar los tratamientos superficiales para 42CrMo, tenga en cuenta que el molibdeno puede influir en la adhesión del recubrimiento y en el comportamiento del recubrimiento de conversión; la limpieza y el pretratamiento de la superficie son importantes antes del chapado o la pintura.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: en estado recocido o normalizado, ambas calidades se mecanizan razonablemente bien. La aleación 40Cr suele mecanizarse con mayor facilidad debido a su templabilidad y resistencia al revenido ligeramente inferiores. La aleación 42CrMo, en condiciones de mayor resistencia (revenido y templado), es más dura y tenaz, lo que conlleva un mayor desgaste de la herramienta y un mecanizado más complejo.
- Conformabilidad y conformado en frío: en estado de recepción (recocido/normalizado), ambos aceros pueden conformarse y doblarse, pero su mayor contenido de carbono y aleación limita el embutido profundo y el conformado en frío severo en comparación con los aceros de bajo carbono. En ocasiones, se recomienda el precalentamiento para el doblado de secciones más gruesas.
- Rectificado y acabado: una vez endurecidos, ambos requieren prácticas de rectificado de alta calidad; el 42CrMo puede requerir abrasivos más agresivos debido a su mayor tenacidad y dureza.
8. Aplicaciones típicas
| 40Cr — Usos típicos | 42CrMo — Usos típicos |
|---|---|
| Ejes, pernos, engranajes (secciones moderadas), acoplamientos, cigüeñales (cuando corresponda), forjados en general para la industria automotriz | Ejes de alta resistencia, engranajes pesados, componentes hidráulicos, sujetadores de alta tensión, forjados de gran sección, equipos para yacimientos petrolíferos, componentes de maquinaria pesada |
| Piezas de máquinas donde el control de costes es importante y las dimensiones de las secciones son moderadas | Componentes que requieren un endurecimiento más profundo, mayor resistencia a la fatiga y mejor tenacidad con una dureza comparable. |
Justificación de la selección: - Elija 40Cr para piezas sensibles al costo donde las secciones sean moderadas y el tratamiento térmico y de temple más el tratamiento superficial cumplan con los objetivos de rendimiento. - Elija 42CrMo cuando las piezas tengan secciones transversales más grandes, requieran mayor resistencia del núcleo o mayor vida útil a la fatiga, o cuando una tenacidad superior con una resistencia elevada sea fundamental.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El acero 42CrMo suele ser más caro que el 40Cr debido a la adición de molibdeno y al procesamiento necesario para lograr una composición química uniforme del Mo. La diferencia de costo varía según los precios de mercado del Mo y la producción de acero.
- Disponibilidad: ambas calidades están ampliamente disponibles en barras, placas, forjados y perfiles estirados en frío en las principales acerías y distribuidores. La aleación 42CrMo se especifica con mayor frecuencia en Europa bajo la designación EN (42CrMo4), mientras que la 40Cr es común en regiones que utilizan las designaciones GB/AISI.
- Plazos de entrega: comparables para tamaños estándar en stock; las variantes químicas especiales o las tolerancias químicas estrictas pueden aumentar los plazos de entrega.
10. Resumen y recomendación
Tabla resumen (cualitativa):
| Atributo | 40Cr | 42CrMo |
|---|---|---|
| soldabilidad | Mejor (pero aún requiere controles para los niveles de C) | Más exigente (mayor riesgo de precalentamiento/PWHT) |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Adecuado para secciones moderadas | Superior para el endurecimiento total y la tenacidad a alta resistencia |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Conclusiones: - Elige 40Cr si: - Para piezas de sección transversal moderada, se necesita un acero al cromo de carbono medio y rentable. - Las secciones de los componentes son de pequeñas a moderadas y no se requiere un endurecimiento completo. Los presupuestos para soldadura, mecanizado y tratamiento térmico son limitados, por lo que se puede aceptar una templabilidad modesta.
- Elija 42CrMo si:
- El componente requiere un endurecimiento profundo (sección transversal grande) o una mayor resistencia a la fatiga/tenacidad para una resistencia determinada.
- El endurecimiento integral, una mejor resistencia al revenido y una mayor tenacidad a alta resistencia son prioridades de diseño.
- Estás dispuesto a aplicar procedimientos de soldadura más estrictos, precalentar y realizar tratamiento térmico posterior a la soldadura según sea necesario, y a aceptar un mayor coste de los materiales.
Nota práctica final: especifique siempre las condiciones de tratamiento térmico requeridas, los objetivos de propiedades mecánicas y cualquier ensayo no destructivo o mapeo de dureza necesario para la aceptación. En caso de duda para componentes críticos rotativos o sensibles a la fatiga, realice ensayos con secciones de diferentes dimensiones o consulte con la fábrica para obtener datos de dureza en función de la profundidad para el medio de temple propuesto; para soldadura, calcule los equivalentes de carbono y siga los procedimientos de soldadura cualificados que incluyan recomendaciones de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura.